差分信號鏈在3G和4G應用優(yōu)劣

通信系統(tǒng)設計的主要挑戰(zhàn)之一是如何成功捕獲高保真度信號。

為了避免強干擾效應、信號失真和靈敏度降低，蜂窩通信系統(tǒng)必須滿足蜂窩標準的嚴格要求，比如具有高動態(tài)范圍、高輸入線性度和低噪聲的碼分多址(CDMA)和寬帶CDMA(W-CDMA)。

過去，一些實踐性問題常導致完全差分信號鏈的性能優(yōu)勢被單端信號鏈所掩蓋，但隨著集成射頻電路技術和高性能差分射頻構建模塊的不斷發(fā)展，如今差分架構已能應用于高性能接收機設計中。本文將討論差分信號鏈在3G和4G無線應用中的性能和優(yōu)點。

接收機信號鏈

圖1是傳統(tǒng)超外差接收機的拓撲結構，它很好地描述了差分信號鏈相對單端信號鏈的優(yōu)勢。不管采用什么拓撲，我們的目標就是將所需信號成功發(fā)送到ADC端進行數(shù)字轉化。信號路徑由以下幾個射頻模塊組成：天線、濾波器、低噪聲放大器(LNA)、混頻器、ADC驅動放大器和ADC。

圖1：接收機在不斷發(fā)展，越來越多的接收機將使用差分元件。這個趨勢開始于ADC，并將逐漸向信號鏈上游移動。先進的集成射頻電路技術和差分射頻構建模塊的擴充允許差分架構應用于高性能接收機設計。

LNA是天線之后的第一個模塊，用于放大熱噪聲之上的信號。這級電路中的噪聲非常重要，因為它將決定系統(tǒng)靈敏度，而放大可以確保隨后的混頻器和放大器不會增加顯著的噪聲。沿信號路徑往后是帶通濾波器，用于抑制帶外信號，減少由其它電路級引起的失真和噪聲。

跟隨LNA之后，混頻器頻率轉換感興趣的信號，將高頻射頻信號下變頻至頻率更低、更易于管理的中頻信號(IF)。ADC驅動放大器和抗混濾波器(AAF) 對將要數(shù)字化的信號進行預處理。驅動器提供增益，AAF抑制第一奈奎斯特區(qū)外的信號，包括將會發(fā)送給ADC的噪聲和帶外雜散分量。在模擬信號路徑末端，由 ADC完成基帶信息的數(shù)字轉換。

理想情況下，只有感興趣的信號(圖1左邊的藍色圖形)才會被傳送到數(shù)字域。需要使用一個魯棒系統(tǒng)來處理這個可能很小的目標信號，同時抑制可能較大的干擾信號。魯棒系統(tǒng)的設計，需要具有高靈敏度、輸入線性、選擇性和抗噪聲性能。根據(jù)具體的應用和架構，性能指標可能有所變化，但在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，像失真、本底噪聲和動態(tài)范圍等都是通常要考慮的要素。輸入三階截取點(IP3)和1dB壓縮點(P1dB)必須高。其它需要考慮的因素還包括低成本、低功耗和小尺寸。

差分優(yōu)勢

圖2比較了單端信號和差分信號之間的基本區(qū)別。這里使用了一個通用增益模塊，但相同的概念可應用于信號鏈中的混頻器和其它器件。在比較單端和差分信號時，要將系統(tǒng)級性能評估標準牢記在心，以實現(xiàn)良好的總體接收機設計。

圖2：差分信號固有的抵消優(yōu)勢可抵抗噪聲和干擾，同時提供偶次諧波的抵消作用。

根據(jù)定義，單端信號是一種不平衡信號，通過感興趣信號與固定參考點之間的差值來進行衡量。這個參考點通常是地，用作信號的返回路徑。如果有誤差源被引入信號路徑，就會產生問題。因為地參考是不受注入誤差的影響，因此誤差將通過信號向前傳送。如果不使用極度復雜的抵消技術，在單端配置中引入的任何信號變化都很難消除。因此，單端信號很容易受噪聲和電磁耦合干擾的影響。

另一方面，差分信號由成對的平衡信號組成，這些信號以參考點中心，幅度相同，相位相反。正和負平衡信號之間的差值對應于復合差分信號。如果誤差被引入差分系統(tǒng)路徑，它將以相同的幅度同時增加到兩個平衡信號上。因為返回路徑并不是一個固定的參考點，誤差將在差分信號中抵消。因此差分信號鏈不易受噪聲和干擾的影響。這種固有的誤差抵消功能還可以提供更好的共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSSR)。

差分信號鏈還有一個單端信號鏈不具備的優(yōu)勢，即在相同電源電壓下復合信號擺幅可以達到單端擺幅的兩倍，從而增加了信噪比。換句話說，在相同電源電壓下增加了放大器余量，降低了失真；或者可以用更低的電源電壓提供相同的信號擺幅，從而降低功耗。

圖2顯示了差分系統(tǒng)中固有的偶次諧波抵消。非線性器件，如本例中的單端和差分放大器，可以用給定正弦輸入信號時的冪級數(shù)擴展傳遞函數(shù)來描述。在單端方案中，輸出的每個倍頻分量都有一個常數(shù)，包括偶次和奇次頻率。在差分模塊中，偶次非線性在復合輸出響應中被抵消。雖然實際器件不能實現(xiàn)完美的抵消功能，但它們確實可以因偶次諧波降低而受益。

圖3顯示了針對驅動高速8位至16位ADC而優(yōu)化的超低失真、低噪聲差分放大器的諧波失真情況。圖中顯示了ADC器件被配置為單端和差分拓撲時的二次和三次諧波。雖然單端模式下的失真非常低，100MHz時的HD2值為82dBc，但采用差分操作時的偶次性能更好，在相同頻率點HD2值低于100dBc。因此在相同電源軌條件下，采用差分拓撲的整個信號鏈的P1dB和IP3有望提高約6dB。

圖3：雖然單端模式中的失真性能很低，但差分操作對偶次性能來說確實有明顯的好處。在相同電源軌條件下，差分拓撲的輸出１dB壓縮點和IP3有望提高約６dB。

差分信號鏈

隨著接收機的發(fā)展，差分元器件得到了越來越廣泛的使用，它們能提供更高的性能等級。這種演進最初始于ADC，并逐漸向信號鏈上游發(fā)展。

過去，信號應用問題和有限的差分射頻構建模塊導致人們只選用單端或部分差分信號鏈。部分差分信號鏈的一個例子是省去了差分ADC驅動器，代之以單端器件和放大器來驅動ADC。雖然這是一種簡單的解決方案，但對性能的不斷追求要求更多的上游電路采用差分拓撲。除了消耗更多的功耗外，單端驅動放大器通常具有更差的偶次失真、CMR和PSR。

如圖1所示，接收機常用的架構是單端射頻輸入和差分輸出。單端和差分操作之間的分界線似乎在混頻器那兒，像LNA等射頻元件仍是單端元件。大多數(shù)SAW濾波器和混頻器內核是固有的差分電路，但根據(jù)應用目的被轉換成了單端方式。

多年來，雙平衡混頻器拓撲由于其高線性度而廣泛用于蜂窩設備。遺憾的是，用于將信號耦合至混頻內核的傳統(tǒng)變壓器網(wǎng)絡占用了相當大的電路板面積，給設計增加了很大的成本。較新的射頻元件，如ADL535x混頻器系列，集成了巴倫和變壓器，并提供帶單端射頻輸入和差分中頻輸出的簡單易用射頻模塊。

圖4表明所有三個混頻器端口內部全部是差分結構。為了方便作用，射頻和本振端口使用變壓器連接到外部，因此允許單端接口。相比之下，中頻輸出端口包含一個具有200Ω輸出阻抗的驅動放大器，并采用差分方式以方便與差分SAW濾波器連接。本振和射頻巴倫的集成限制了混頻器的工作頻率，因此要求使用專門工作在蜂窩頻率范圍的器件系列。

圖4：集成射頻電路技術的最新發(fā)展允許設計師方便地使用具有單端射頻輸入至差分中頻輸出的混頻器。所有三個內部混頻器端口都可以充分發(fā)揮差分優(yōu)勢，同時更方便地與外部世界相連。